Teadlased tekitasid kõige vaiksema heli maailmas

Kompides piiri nn kvantmaailma ja klassikalise maailma vahel, tekitasid füüsikud kristallis seisundi, milles tootis kõige vaiksemat heli universumis, kirjutab Wired UK.

Selline helivibratsioon on võimalik objekti nn superpositsiooniseisundis. Sellist seisundit on aga füüsilises ja sealjuures nähtavas objektis väga keeruline luua.

Hiljuti lõi Zürichi ülikooli (ETH) füüsiku Matteo Fadeli töörühm superpositsiooniseisundi seni kõige massiivsemas objektis - umbes liivatera suuruses safiirkristallis. See ei pruugi tunduda väga suurena, kuid see on umbes 1016 aatomi suurune, võrreldes tavaliselt kvantkatsetes kasutatavate materjalidega, mis on aatomi või molekuli mõõtkavas.

„Kristall on teatud mõttes olekus, kus ta on samal ajal paigal ja vibreerib,“ ütleb Fadel.

Eksperimendis keskenduti konkreetselt kristalli sisemistele vibratsioonidele. Objekt jahutati absoluutse nulli lähedale, kus hakkavad kehtima kvantmehaanika kummalised reeglid.

Kvantide superpositsiooni kasutatakse näiteks kvantarvutite valmistamiseks.

Sellistes oludes toimivad helivibratsioonid teisiti. Näiteks kitarrikeel võib seda pingutades vibreerida vaikselt või valjult või mis tahes vahepealsel helitugevusel. Kuid kristallides, mis on jahutatud sellisele ülimadalale temperatuurile, saavad aatomid vibreerida ainult diskreetsetel, kindlatel intensiivsustel.

Selgub, et see on tingitud sellest, et kui vibratsioonid muutuvad nii vaikseks, tekib heli diskreetsetes ühikutes, mida nimetatakse foononiteks. Foononist võib mõelda kui heliosakesest, nii nagu fotoon on valgusosake.

Kvantmehaanika ja superpositsioon

Kvantmehaanika kehtib selgelt aatomite ja molekulide kohta, kuid on ebaselge, kuidas need reeglid lähevad üle meie kogetavasse makroskoopilisse igapäevamaailma.

Füüsikud on täheldanud elektroni paiknemist superpositsioonilises olekus, kus elektron käitub määratlemata asukohaga lainena. Kvantide superpositsiooni on kasutatud isegi uue põlvkonna seadmete valmistamiseks, alates kvantarvutitest, mille eesmärk on suurendada arvutusvõimsust, kuni väga tundlike detektoriteni, mis mõõdavad gravitatsioonilainete levikut.

Objektid, mida me enda ümber näeme, ei näita neid omadusi. Auto kiirus ei ole määratlemata; seda saab mõõta. Teie käes oleval võileival ei ole määratlemata asukohta. „Makroskoopilistes objektides ei näe me selgelt superpositsioone,“ ütleb füüsik Matteo Fadel ETH Zürichi ülikoolist.

Fadeli töörühm lõi seisundi, milles kristall sisaldas ühe footoni ja null footoni superpositsiooni. Selleks kasutavad nad mikrolaineimpulsse, et panna pisikene ülijuhtiv vooluring tekitama jõuvälja, mida nad saavad suure täpsusega kontrollida. See jõuväli lükkab kristalliga ühendatud väikest materjalitükki, et viia sisse üksikud vibratsioonifoononid. Nii tekib kõige vaiksem seni avastatud heli maailmas.

Kuna tegemist on praegu suurima objektiga, mis näitab kvantmehaanika iseärasusi, siis tõukab see füüsikute arusaama kvant- ja klassikalise maailma vahelisest piirist.

Vibratsioonid, mis tekivad materjalide jahutamisest äärmuslikele temperatuuridele, näitavad omadusi, mida võiks ühel päeval kasutada mälu loomiseks kvantarvutites.